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IGBT模块的参数及特性曲线解读EricYang2015.05.26COMPANYCONFIDENTIALIGBT主要参数二极管主要参数主要内容2©2015PowerIntegrations|芯片的主要电气性能。IGBT主要参数3©2015PowerIntegrations|结温条件下（一般为25℃），C、E间允许施加的最高电压，包括电压尖峰；也就是我们平常说的IGBT的耐压值。VCES是正温度特性，即当IGBT结温低于25℃时，VCES的值会降低。在两电平应用中，我们在选型驱动器的时候，可以参考IGBT的VCES来选择，一般选取工作电压与VCES一致的驱动器；比如封装为EconoDUAL3的IGBT模块，如果是1200V耐压，我们选择2SP0115T2A0-12；而如果是1700V耐压，则选择2SP0115T2A0-17。VCES（集电极—发射极间电压）4©2015PowerIntegrations|壳温和结温条件下，受自身的结—壳热阻RthJC的影响，可连续消耗于IGBT的功耗的最大值。Ptot也可以通过公式计算：Ptot=△T/RthJC=(Tvj-TC)/RthJC上表中FF600R12ME4这款IGBT为例，它的结—壳热阻RthJC=0.037K/W，则Ptot=(Tvj-TC)/RthJC=（175-25）/0.037=4054W；同样的，续流二极管的总功耗也可以这样计算。Ptot（总功耗）5©2015PowerIntegrations|的含义是，在给定的IGBT壳温和结温条件下，在IGBT最大功耗Ptot所允许的限度内，可连续流向集电极的直流电流的最大值。我们平常说的多少安培电流的IGBT，指的是集电极的额定电流，即下表中的ICnom。注意：在定义ICnom的值时，要明确所规定的壳温和结温条件；不同厂家或同一厂家不同型号的IGBT，在定义ICnom的值时，所规定的壳温和结温不尽相同；并且，单纯的说ICnom的值是多少，而不说明具体的结壳温度值，从技术的角度上说，是没有参考价值的。IC（集电极电流）6©2015PowerIntegrations|的含义是，在一个较短的时间内，ICnom是允许被超过的，即集电极允许流过大小为N*ICnom的电流（N≥1），而且这种状态时可以重复。IGBT的datasheet中定义的是在1ms的脉冲时间内ICRM的值，这个值一般为2*ICnom。IGBT反偏安全工作区（RBSOA）的电流值的边界就是2*ICnom，即ICRM。那么在正常工作状态，若集电极电流超过ICRM，则IGBT是不安全的，即超出了安全工作区。ICRM（集电极最大可重复峰值电流）7©2015PowerIntegrations|的门极被开通时，门极电压从负压（-15或-10V）上升到正压（+15V），驱动器需要向门极注入数值为QG的电荷量；关断时亦然。Datasheet通常会给出一个电压摆幅范围内的QG，如-15V到+15V。QG用来计算门极的驱动功率，从而选择合适功率的驱动器；根据此公式：PGdr=QG*(VGE(on)-VGE(off))*fswVGE(on)为开通正压，VGE(off)为关断负压，fsw为开关频率。PI驱动器的门极电压摆幅一般是23V（-8~+15V）或25V（-10~+15V），那么相对于-15~+15V电压范围的QG，还可以做一个折算，可以乘以0.75或0.9的系数；如果不折算，计算结果的裕量会更大。QG（门极电荷）8©2015PowerIntegrations|模块封装的时候，在模块内部芯片的门极上增加了额外的门极电阻RGint，我们称为内部门极电阻；大电流的IGBT模块内部会并联一些芯片，每颗芯片都会有单独的门极电阻，RGint是所有门极电阻并联以后的最终值；这些门极电阻可以提高模块内部的芯片的均流性能；驱动回路的总门极电阻RGtot是外部的电阻RGext和内部电阻RGint之和；门极的峰值驱动电流可由此式计算：IGdr,peak=(VGE(on)-VGE(off))/RGtot。实际应用中，由于驱动回路杂散电感等的影响，实际的电流峰值达不到上式计算出的值，根据经验，上面的式子再乘以一个0.7的折算系数。RGint（内部门极电阻）9©2015PowerIntegrations|外部加的门极电阻，它与RGint共同组成了驱动回路的总电阻RGtot；Datasheet中并未将RGext作为具体参数直接列出，但是在开关损耗的介绍中，给出了RGext的最小值，过小的门极电阻有可能引起震荡，让IGBT或二极管失效；允许的RGext值的范围在开关损耗曲线图中给出，见下页图；门极的峰值驱动电流可由此式计算：IGdr,peak=(VGE(on)-VGE(off))/RGtot。实际应用中，由于驱动回路杂散电感等的影响，实际的电流峰值达不到上式计算出的值，根据经验，上面的式子再乘以一个0.7的折算系数。RGext（外部门极电阻）10©2015PowerIntegrations|左图是不同结温下，集电极电流与开通、关断损耗的关系。右图是不同结温下，门极外部电阻与开通、关断损耗的关系；设计者在选门极电阻值时，要在曲线中给定的范围内使用，如右图为1~11Ω，尽量不要超出此范围，特别是不能小于最小电阻值；通过右边的曲线，我们还可以读出一个信息，就是此IGBT的关断电阻对开关损耗的影响比较弱。Eon、Eoff（开关损耗）曲线11©2015PowerIntegrations|需要满足的条件。如下图所示，这是一个600A/1700V的IGBT模块。图中虚线部分为IGBT芯片的安全工作区，在开关状态下，在最大结温以内，芯片可以在最大VCE电压下和2倍的额定集电极电流内安全地关断。实线部分为IGBT模块的安全工作区，受模块内部杂散电感等的影响，曲线有一个缺口，安全工作区的范围稍微缩小。RBSOA（反偏安全工作区）12©2015PowerIntegrations|的IGBT模块的安全工作区曲线，蓝色和红色曲线分别为IGBT模块和芯片的关断工作轨迹。由于模块内部存在杂散电感，我们在模块主端子上测试到的电压尖峰的数值，实际要比IGBT芯片所承受的电压值要小。所以集电极电流增大时，模块端允许的最大VCE电压相应减小。无论是芯片级还是模块级，在任何工况下，VCE的尖峰都不得超出安全工作区的边界。RBSOA（反偏安全工作区）13©2015PowerIntegrations|的短路特性强烈依赖于应用中的具体参数，如温度、杂散电感水平、驱动电路以及短路路径的阻抗等；图a)为短路测试的电路，图b)为短路时的典型电压和电流波形；短路特性14©2015PowerIntegrations|短路波形解读：1、短路电流上升的斜率取决于母线电压和回路中的杂散电感；2、短路时IGBT会退饱和，短路电流到达数倍的额定电流水平后不再上升，VCE电压维持在高电位（母线电压水平）；3、短路时芯片的功耗很大，温度上升很快，短路电流会稍微降低，波形向下倾斜；4、在规定的短路承受时间tSC以内，IGBT必须关断，否则IGBT可能会失效。Datasheet中给出了IGBT的短路参数，我们可以认为这是IGBT的短路安全工作区。上面是一个600A的IGBT，这个参数的定义是（150℃结温下）：在母线电压为1000V，门极电压小于等于15V，结温为150度的情况下，施加一个宽度为10us的脉冲，在第10us时，IGBT的电流大约为2300A。并且说明，这样的测试是安全，是可以重复的。短路特性15©2015PowerIntegrations|©2015PowerIntegrations|右图是相同结温，不同门极电压下的典型输出特性曲线。典型输出特性曲线17©2015PowerIntegrations|给出的曲线，通常这个图只给出额定电流的2倍的曲线，电流再大的部分属于定性不定量的示意图，但可以帮助我们更好地理解特性曲线。曲线解读：1.IGBT不允许长时间工作在线性区，否则导通损耗非常大；而门极电压越低时，IGBT越容易进入线性区，通常选取+15V作为门极开通电压；2.以15V门极电压为例，图中绿色曲线为IGBT开通时的运动轨迹，黄色曲线为关断时的运动轨迹；我们可以看到IGBT在正常的开通和关断过程中，会在线性区内停留一会，但时间很短，这是正常的；3.IGBT在某个固定的门极电压下，其电流达到一定高度就上不去了。这说明，IGBT在短路时，电流会被限制在一个稳定的水平，其数值大约为IGBT额定电流的数倍，该数值取决于IGBT的芯片类型；4.门极电压可以强烈地影响IGBT短路电流的数值，门极电压较低时，短路电流会比较低，门极电压升高，短路电流也会升高；5.IGBT的电流在1倍至3倍之间变化，Vcesat的变化是非常微弱的，只有几V的差别；6.IGBT在退饱和后，Vcesat会有显著变化；7.IGBT在短路时，实际上进入了线性区；右图是相同门极电压，不同结温下的典型输出特性曲线；一般可使用125℃下的数据来计算IGBT的导通损耗。从图中可以看出：1、负载很小时（红线左侧），IGBT的VCE电压呈负温度特性，即VCE电压会随着结温升高而降低；2、负载较大时（红线右侧），VCE电压呈正温度特性，即VCE电压会随着结温升高而升高；这一特性有利于IGBT做并联应用。典型输出特性曲线18©2015PowerIntegrations|转移特性曲线说明了IGBT的开启电压会随着结温的升高而降低，即结温越高，IGBT越容易开通。典型转移特性曲线19©2015PowerIntegrations|本部分内容描述IGBT模块内部的二极管芯片的主要电气特性。二极管主要参数20©2015PowerIntegrations|是在给定温度下，二极管正向允许持续流过的最大直流电流；datasheet中给定的IF值则为额定正向电流。VF是在给定温度下，二极管流过正向电流（IF）时的发射极（阳极）、集电极（阴极）端子间的电压降值。IF(正向导通电流)和VF（正向导通压降）21©2015PowerIntegrations|